研究亮点

意料之外的“三明治”：我院欧阳宏伟教授团队发现人体关节软骨钙化的物质科学机制

近日，我院欧阳宏伟教授团队以“Stage-specific and location-specific cartilage calcification in osteoarthritis development”为题在Annals of the Rheumatic Diseases上发文，首次从物质分子组装、微纳结构及微观力学等多学科角度探索OA发展中“自上而下”和“自下而上”的双向软骨钙化病理机制，发现“自上而下”钙化是从关节面开始的渐变式钙化，“自下而上”钙化是从骨软骨交界处发生的跳跃式钙化并形成“骨-软骨-钙化软骨”的三明治特征结构。这项研究是本团队继第一篇揭示正常人体关节骨软骨界面组织后，第一篇揭示人体关节软骨病理钙化的物质科学机制。该研究的第一作者为浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE)博士后王小召博士，共同第一作者为ZJE2022届本科生吴沁（剑桥大学在读），浙江大学医学院技术员张儒，ZJE2020级本科生樊章和2019级本科生Yi Wen Koh为共同作者。人体膝关节的“骨-软骨”界面组织，结构成分复杂，受力严酷易发生材料失效，进一步可引发骨关节炎（OA）。正常的骨软骨界面组织可维持软骨-硬骨不同材料之间的抗疲劳粘附，还能保证人体每年几百万次力学加载中的有效力学传导，其背后的材料学机制至关重要。浙江大学欧阳宏伟教授团队从结构组装决定力学功能的角度出发，利用多种高分辨材料学表征手段，发现骨软骨界面组织存在一层特殊的20-30 μm的超薄过渡区，其精致的有机-无机成分组装、微纳结构转变及指数级模量增长为界面的优异力学传导功能提供保证（Nano Lett. 2022, 22, 2309-2319）。骨软骨界面的超微结构组装一旦发生改变，很容易引发OA。目前，OA病理过程中软骨降解及软骨下骨重塑被广泛研究。然而，二者的界面-骨软骨界面组织的超微结构、分子组装及力学在OA发展过程中的病理变化却知之甚少。因此，本团队以正常人骨软骨界面结构为参照，研究了不同OA阶段骨软骨界面组织“自下而上”的病理性钙化侵袭软骨的过程及机制（图）。研究发现，在OA早期，即出现了始于钙化软骨处的特征性三明治钙化结构的“自下而上”病理性钙化，潮线附近的酸性物质及肥大软骨细胞促进这一特征结构形成。随着OA的发展，钙化软骨处的三明治钙化结构融合，钙化软骨区域增厚，向上层软骨入侵。与正常样本相比，界面组织的超微结构及成分组装在OA早期即发生巨大转变，HAp晶体失去纳米级梯度组装，晶体结晶性增加，组织力学显著提高。而OA晚期则呈现完全相反的趋势。这种差异可能归因于钙化软骨处由肥大软骨细胞调控的不同晶体成核方式，OA早期为基质囊泡成核，OA晚期为碳酸盐成核。图人类膝关节OA进展过程中自上而下和自下而上的双向软骨钙化过程及机制 OA早期，缺乏纳米级异质组装的HAp会引起骨软骨界面的局部应力集中，导致微裂纹形成（OA早期事件）。微裂纹会加速软骨和下骨的串扰，破坏软骨稳态，加速OA进展。OA早期骨软骨界面组织力学的增加会降低软骨下骨的机械载荷，进而激活破骨细胞的骨吸收，而OA晚期界面力学下降会导致软骨下骨承担更高的机械载荷而激活成骨细胞，促进下骨的骨形成。通过骨软骨界面组织的结构组装和微观力学解析，可以从材料学角度进一步解释软骨下骨在OA早期的骨丢失和OA晚期的骨重塑现象。除了骨软骨界面组织，本研究还探索了OA中始于关节软骨层的“自上而下”的软骨病理性钙化过程。在OA早期出现的“自上而下”钙化，始于软骨表面损伤处及纤维化区域，并形成球形纳米颗粒；在晚期OA软骨中矿物质为纤维及致密组装结构（HAp），并进一步侵入深层软骨。软骨ECM微环境的改变及周围软骨细胞肥大化进一步促进了纳米矿物质的合成。基于OA发展过程中的双向软骨钙化机制，未来可以开发预防病理性钙化的针对性疗法。对于关节表面“自上而下”的钙化，可以开发通过抑制软骨细胞的转分化和降低滑液中Ca2+和PO43-离子浓度来防止晶体的早期形成及生长。对于钙化软骨处“自下而上”的软骨钙化，需要设计调控细胞代谢活动的治疗策略。本研究从物质科学角度完善了目前对OA病理发展机制的理解，探索了人体膝关节OA发展过程中具有位置和阶段特异性的双向软骨钙化病理特征，探讨了其对OA发展的病理作用，为潜在的治疗靶向策略提供新方向。研究得到了国家自然科学基金委创新群体项目（T2121004）、国家自然科学基金委重点项目（31830029）、国家自然科学基金委青年项目（82002271，81902187)）等的资助。原文链接：http://dx.doi.org/10.1136/ard-2022-222944

2022-11-01

我院Kuan Yoow Chan课题组交叉研究成果在Bioinformatics上发表

近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）Kuan Yoow Chan课题组在Bioinformatics上发表题为pcnaDeep: A Fast and Robust Single-Cell Tracking Method Using Deep-Learning Mediated Cell Cycle Profiling的应用程序简介（Application Note），介绍了课题组开发的基于深度学习和细胞周期识别的细胞追踪程序pcnaDeep。ZJE生物信息学18级本科生归逸凡（现剑桥在读博士）和ZJE双学位博士生谢双双为本文共同一作。本研究在ZJE Kuan Yoow Chan老师和浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院（ZJUI）王高昂老师的共同指导下开展，将计算机算法技术应用于生物医学研究领域，是浙江大学国际校区多学科交叉学术氛围下的可喜成果。近年来，单细胞水平的定量分析引领了关于细胞命运分子机制研究方法的革新。然而，在利用显微成像得到的时间序列数据开展活体单细胞分析方面，研究者仍受限于细胞追踪方法的准确度。尤其对于较难追踪的细胞分裂事件而言，误差较大的追踪结果意味着需要大量人力介入开展纠正工作。在本研究中，研究人员利用近年来应用较广的细胞周期标志物——荧光标记的PCNA蛋白，使用深度学习模型Mask R-CNN学习PCNA荧光蛋白在不同细胞周期特有的空间分布特征，从而实现对细胞周期的识别。在特征设置上，将荧光与明场图像结合有助于提高处于分裂期细胞的识别准确度。随后，通过将细胞周期信息与传统目标追踪算法结合，研究人员得以准确链接细胞分裂前后细胞的轨迹。这一方法能够使研究人员迅速准确地得到显微成像中的单细胞轨迹，有助于研究特定蛋白在细胞中的时空动态变化。Quantitative single-cell analysis has revolutionised our approach to study the molecular events that lead to cell fate decisions. However, a common challenge when performing single-cell analysis is the limited computational tools available to track single-cells over multiple cell generations robustly. This is because when cells undergo cell division, they form daughter cells that can confound the algorithms used to track the cells, leading to high false mother-daughter assignments. This means extensive manual corrections are often required, making it a time-consuming practice.In the recent publication in Bioinformatics, Kuan Yoow Chan's lab developed an application that uses deep learning to classify cells based on the pattern of the well-established fluorescently tagged PCNA protein. By using the PCNA pattern to identify the cell cycle state of cells, we were able to assign mother-daughter relationships rapidly and accurately. This novel approach has high accuracy rates and relatively low computational costs, allowing us to generate high-quality single-cell lineages from large long-term imaging datasets. 原文链接：https://academic.oup.com/bioinformatics/advance-article/doi/10.1093/bioinformatics/btac602/6680181课题组介绍About labKuan Yoow Chan课题组利用遗传学、细胞生物学和生化分析，旨在研究中心体信号的变化如何导致癌症中细胞周期的反常。Using genetic, cell biology and biochemical assays, Kuan Yoow Chan' Labaim to study how the changes in centrosomal signalling lead to the deregulation of the cell cycle in cancer.Email：kychan@intl.zju.edu.cn实验室网址：https://person.zju.edu.cn/H118031

2022-10-10

我院刘琬璐研究员合作研究成果在Cell Reports上发表

2022年8月23日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）刘琬璐课题组和浙江大学医学院梁洪青课题组、张丹课题组、以及广东省实验室Yun-Shen Chan课题组联合在Cell Reports 上发表题为Krüppel-like factor 5 rewires NANOG regulatory network to activate human naïve pluripotency specific LTR7Ys and promote naïve pluripotency 的长文，揭示了人类胚胎植入前后分别活跃表达的LTR7Y和LTR7，作为HERVH亚家族的两个不同LTR元件，是如何分别被naïve和primed转录调控网络特异性激活，并调节不同多能性状态干细胞的发育潜能。浙江大学医学院博士生艾志鹏，ZJE生物信息学专业博士生相欣雨，浙江大学医学院博士生向阳泉，浙江大学医学院附属妇产科医院钱羽力副主任以及新加坡基因组研究所Iwona Szczerbinska博士为共同一作。ZJE生物信息学专业大四本科生苏雅琪和ZJE生物信息学专业博士生高兵为论文参与作者。ZJE陈迪研究员、浙江大学杨小杭教授、马骏教授、徐鹏飞和许志宏研究员等提供了支持和帮助。人类早期胚胎的单细胞转录组分析数据显示，在不同胚胎发育阶段， ERV不同亚家族成员具有胚胎阶段特异性的激活【1】。其中在植入前和植入后囊胚，以及分别对应的naïve和primed多能性干细胞中，LTR7Y和LTR7分别被激活。该研究通过筛选，鉴定了KLFs家族的KLF4/KLF5可以特异性激活基因组中的LTR7Y拷贝，但并不能激活LTR7相关拷贝。研究人员进一步联合运用RNA-seq、ChIP-seq、CUT&Tag以及ATAC-seq等多组学技术，发现LTR7Y和LTR7的序列虽然高度保守，但其中具有KLF5保守结合位点的差异；这使得LTR7Y可以被KLF5和NANOG共同结合，而LTR7只能被NANOG结合。进一步的实验证明，在primed向naïve多能性转变的过程中，KLF5可以重塑NANOG的结合偏好性，将其从primed特异的LTR7位点上，转移至naïve特异的LTR7Y位点上。在这一过程中，KLF5发挥了先驱因子的作用，通过增强LTR7Y区域的染色质开放性，招募NANOG及P300在LTR7Y上的结合，从而在naïve状态激活LTR7Y。更有意思的是，naïve多能性状态下KLF5对于LTR7Y的激活可以增强LTR7Y周围naïve多能性基因的表达。这些基因中包含了滋养外胚层的关键转录调控因子。研究进一步通过CRISPR激活和抑制实验证明，对LTR7Y位点的操纵可以影响部分KLF5下游滋养外胚层相关基因的表达。同时CRISPRa对LTR7Y的激活也可以加速胚胎干细胞向滋养外胚层的分化。综上，本研究以植入前和植入后囊胚分别开启的LTR7Y和LTR7为对象，深入研究并发现了KLF5与NANOG协同并特异性激活LTR7Y顺式调控功能，从而促进人类naïve多能性，并拓展了胚胎干细胞向滋养外胚层细胞分化的潜能。这不仅对于理解不同ERV亚家族在人类早期胚胎发育中特异性调控功能具有重要意义，也提示了从ERV角度理解人类滋养外胚层功能与胚胎植入失败等临床问题的新研究视角。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111240参考文献1. Göke, J., Lu, X., Chan, Y.-S., Ng, H.-H., Ly, L.-H., Sachs, F., and Szczerbinska, I. (2015). Dynamic Transcription of Distinct Classes of Endogenous Retroviral Elements Marks Specific Populations of Early Human Embryonic Cells. Cell Stem Cell 16, 135–141.课题组介绍About lab刘琬璐课题组的主要研究方向为表观遗传学、基因组学、生物信息学、干细胞及再生医学，目前正致力于研究转座子的表观调控机制及其在细胞命运决定过程中的作用，实验室也侧重于多组学数据集单细胞数据的生物信息算法、数据库、网页工具等开发。邮箱：wanluliu@intl.zju.edu.cn；实验室网址：https://labw.org

2022-08-28

ZJE首届双学位博士生马远瞩参与研发基于糖分子光吸收剂的高分辨打印光敏生物墨水

近日，浙江大学欧阳宏伟团队在《Cell Reports Physical Science》上以“Biomacromolecule based agent for high-precision light-based 3D hydrogel bio-printing”为题发表文章，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE)首届双学位博士生马远瞩为文章的共同第一作者。三维(3D)打印不需要物理模具就可以制造给定形状的立体物体，是一种发展迅速、应用前景广阔的技术。通过整合生物相容性材料和细胞，3D生物打印技术已成为组织工程和再生医学中制造整合多种细胞和功能的组织乃至“活”器官的重要途径。然而，目前的生物3D打印还无法兼顾打印分辨率、机械强度和生物相容性，尤其是在带细胞打印时，很难通过目前常见的3D打印机制备100μm以下的精细结构。基于光引发聚合的水凝胶材料由于其聚合迅速，易于成形的特点，被广泛应用作生物3D的墨水材料，如甲基丙烯酸明胶(GelMA)等；而3D光打印技术打印精度高，能制备更多结构（如垂直方向的悬吊结构），是目前普及率最高的3D打印机类型。当前增加3D光打印分辨率的手段是在墨水材料中加入光吸收剂，但光吸收剂作为小分子很容易暴释和进入细胞，带来不良生物学影响；同时使用光吸收剂往往会影响打印产物力学强度，限制了光打印在生物医学领域的应用。为了解决以上问题，文章报道了一种基于新型的生物大分子的自由基吸收剂策略提高3D生物光打印分辨率。文章链接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100985 本研究通过将邻硝基苯甲醇衍生物(NB)接枝到硫酸软骨素(CS)上，开发了一种新型生物墨水添加剂。通过抑制光引发过程中未曝光区域的自由基聚合，这种新型生物大分子CSNB可以有效地提高常用生物墨水的光成胶分辨率，如甲基丙烯酸明胶(GelMA)和聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)（图1）。图1 CSNB的合成、表征及功能。(A) CSNB合成路线及提高打印分辨率的机理示意图。(B) CSNB和CS的1H-NMR谱图。(C)通过Z字母掩模制备纯GelMA、GelMA+CSNB墨水材料和纯PEGDA、PEGDA+CSNB墨水材料的代表性产物。通过数字光处理(DLP) 3D打印或光刻技术都可以制造出精细清晰的结构。此外，与目前用于提高打印分辨率的光吸收剂（酚红-Phenol red、柠檬黄-Tartrazine）相比，作为生物大分子CSNB不仅能将打印分辨率提高到10μm级别，还可以增强含氨基材料的机械性能，如与纯GelMA水凝胶相比，含有CSNB的GelMA水凝胶的压缩模量提高了4倍（图2）。图2 CSNB显著增加3D分辨率并提升含氨基材料的力学性能 (A) DLP 3D打印装置示意图。(B)3D打印数字模型及产物；i：微管（外径200μm，内径180μm），比例尺=100μm；ii：凤蝶，比例尺=500μm。(C) 3D打印的埃菲尔铁塔；i.数字模型; ii. 纯PEGDA打印产物；iii.PEGDA+CSNB打印产物;iv.添加CSNB后3D打印塔的细节展示，比例尺=2mm 此外，作为生物大分子添加剂，CSNB避免了小分子光吸收剂的爆释问题，显著降低了细胞毒性，在体内和体外都显示出了优异的生物相容性。研究使用带有不同种类细胞的GelMA/CSNB生物墨水打印出了具有复杂结构的产物，并支持打印产物中携带的脂肪源间充质干细胞和HepG2肝细胞在体外培养过程中增殖（图3）。综上，CSNB作为一种生物相容的生物光打印添加剂，提供了一种提高打印分辨率的便捷方法，并且能增加所打印的含细胞水凝胶的机械性能。CSNB的应用对组织和器官的重建以及改进的体内仿生研究模型的开发具有重要意义。图3 GelMA/CSNB水凝胶的生物相容性及带细胞打印。(A)打印的GelMA/CSNB水凝胶中装载的hADSC的活/死染色；比例尺=100μm。(B)细胞存活率定量分析。(C)皮下包埋试验代表性H&E染色切片。比例尺=1mm。(D) GelMA/酚红和GelMA/CSNB墨水3D打印产物的皮下降解曲线。(E) 3D打印装载hADSC微管的明场图像和活/死染色的3D重建；比例尺=100μm。(F) 培养10天的带有肝细胞(HepG2，绿色)和血管内皮细胞(HUVEC，蓝色)的3D打印肝单元结构；比例尺:200μm、100μm。本文共同第一作者为ZJE博士生马远瞩，浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员魏威博士，通讯作者为浙江大学欧阳宏伟教授。该研究得到了国家重点研发计划2017YFA0104900、国家自然科学基金(NO. T2121004, 31830029等)、浙江省医药卫生科技项目（2022493383）的资助。作者介绍马远瞩为ZJE首届双学位博士生，其导师组为欧阳宏伟教授，Mike Shipston教授，黄雯雯研究员。她即将赴清华大学从事博士后工作。ZJE双学位博士项目 ZJE在办学过程中不断探索，开设了双博士学位项目，创造了全英文授课环境和多学科交叉科研条件，提供带薪课程助教岗位和实习交流机会。优秀学生将进入浙江大学爱丁堡大学双学位通道，获得浙江大学和爱丁堡大学双博士学位。双学位录取的博士研究生将同时注册浙江大学和爱丁堡大学的学籍。每位学生将由导师组负责，1位联合学院的导师或者1位爱丁堡大学的导师作为主导师，此外还有一位爱丁堡大学学位评估组组长参与导师组，导师组共3-5人，负责博士研究生的全方位培养。课题组介绍About lab欧阳宏伟教授课题组长期从事干细胞与骨、软骨、肌腱组织的再生研究，突破了骨软骨组织自愈能力低下的难题，发明了“骨软骨原位修复与再生技术”，建立和实践了组织工程要素的三条临床转化途径，即自体细胞/因子浓集治疗技术、支架材料器械产品和细胞材料复合移植技术。课题组网页：http://person.zju.edu.cn/en/ouyanghongwei；招聘主观能动性强的博后

2022-07-21

郭国骥/韩晓平团队Nature Genetics报道小鼠发育及成熟细胞图谱并揭示细胞命运决定的共性调控机制

多细胞生物发育过程的高度可重复性表明有一套系统的调控程序可以控制细胞命运决定。根据沃丁顿（Waddington）的表观遗传景观理论，命运决定过程中，各种细胞类型起源于不稳定的干/祖细胞状态，最终落入稳定的细胞命运吸引子。近年来，单细胞组学正在改变我们对沃丁顿表观遗传景观的理解，抽象出更加综合性的概念“状态流形”（state manifold）来增强对谱系发育的理解。然而，“状态流形”背后的基因调控规律及分子机制目前仍然知之甚少。“状态流形”图上是否存在共有的“地心引力”，作用与各个谱系的命运决定，尚有待进一步的探索。浙江大学医学院郭国骥/韩晓平团队，长期致力于单细胞测序与细胞命运决定的相关研究，自主研发Microwell-seq高通量单细胞分析平台，并于2018年和2020年分别在CELL和NATURE上发表了首个小鼠细胞图谱和人类细胞图谱。在前期的基础之上，团队对小鼠七个重要发育阶段的十个重要组织进行了单细胞转录组分析，跨越了胚胎早期到成年成熟期，获得超过520，000个单细胞转录组数据，描绘了小鼠谱系发育和成熟过程的细胞状态流形图，并揭示了控制细胞命运决定的基因调控网络。相关研究论文，Systematic identification of cell-fate regulatory programs using a single-cell atlas of mouse development，于2022年7月11日在线发表于Nature Genetics上。该研究分析了胚胎早期到成年成熟期多个组织器官的基因表达变化，时期包括胚胎E10.5,E12.5,E14.5,以及出生后0天（P0），P10，P21和成年(6-10周)。组织覆盖神经、呼吸、消化、循环、泌尿、生殖等系统。研究显示谱系发育是一个转录混乱度逐渐下降的熵减过程。研究者建立了系统的转录因子调控网络，识别了超900个regulon（转录因子-靶基因的组合），并且识别了15种不同的表达模式，其中包含了谱系特异性的表达模式和跨谱系共有的表达模式。研究者比较了不同细胞谱系的分化特征，发现了跨谱系命运决定的共性调控因子。团队在小鼠图谱的基础上进一步整合已发表的无脊椎动物（涡虫、线虫、海鞘和水螅）和脊椎动物（斑马鱼和人类）发育图谱，探索发育的保守性特征。研究者建立了跨物种细胞“状态流形”图谱，其中谱系特异调控元件参与指导细胞类型的出现，而谱系共有调控元件稳定细胞的状态。在跨物种谱系共有调控元件的分析中，研究者发现转录因子Xbp1在所有七个物种的发育过程中都出现了跨谱系谱系共有上调的情况。团队利用CRISPR/Cas9技术获得Xbp1+/-基因编辑小鼠，并利用单细胞转录组测序和蛋白质质谱分析，解析Xbp1敲除胚胎的表型。研究发现，Xbp1的缺失，导致了干祖细胞类型的增殖和谱系分化细胞类型的减少；在转录和蛋白水平上，干性基因上调，熵值增加，而谱系特异性基因下调，这些都暗示了Xbp1在跨谱系的分化过程中起着共性调控的作用。该工作为细胞命运决定的相关研究提供了的全新见解，并为细胞“状态流形”的新理论提供了数据资源。该论文的第一作者为浙江大学基础医学院博士研究生费丽江、博士后陈海德、硕士马立枫等。论文获得了国家重点研发计划及国家自然科学基金的支持。

2022-07-12

徐素宏团队Developmental Cell 发文揭示四次跨膜蛋白TSP-15在介导秀丽隐杆线虫表皮细胞膜大伤口修复的潜在机制

细胞膜作为维持细胞内环境稳态的重要屏障，其完整性常常会受到机械应力、辐射、化学物质、炎症反应和病原体入侵等因素的威胁。破损后的细胞膜能够完成有效的膜修复是细胞存活乃至恢复正常生命活动的前提。迄今的研究发现根据损伤类型、伤口尺寸等，细胞将启动不同的修复机制恢复细胞膜的完整性。由于在体生物学研究的困难性，这些研究多建立在体外细胞的研究模型之上，对于动物体内的研究则鲜有报道。 2022年6月30日，浙江大学徐素宏团队在活体动物细胞膜修复研究方面取得重要进展，国际权威期刊Developmental Cell在线刊登了团队的学术论文“Recruitment of tetraspanin TSP-15 regulates plasma membrane repair in C. elegans epidermis”。该研究利用成年秀丽隐杆线虫表皮损伤模型,发现活体动物单细胞水平参与细胞膜修复的关键蛋白TSP-15,并解析了该种四次跨膜蛋白介导在体大创口细胞膜修复的潜在分子动态调控机制。团队以秀丽线虫表皮细胞为模型，通过遗传学、转基因标记、快速活体显微成像、基因编辑等技术，研究在体环境下表皮细胞如何感知损伤释放信号调控创伤修复的分子细胞学机理。成年线虫表皮细胞hyp7是在发育最终由多个细胞融合形成的多核细胞，损伤后，为了防止细胞内营养和体液的流失以及线虫的存活，hyp7的伤口修复过程必须快速启动并逐步实现细胞膜结构和功能的重塑。该研究将目光聚焦与广泛分布于细胞膜上的四次跨膜蛋白（Tetraspanins, TSPs）。Tetraspanin是一类保守的四次跨膜蛋白质，其作为细胞膜上的组织者，能够通过侧向富集膜受体蛋白、粘附分子以及胆固醇等形成四次跨膜蛋白富集结构域 TEM（Tetraspanin enriched microdomain），进而参与迁移体形成、细胞迁移、侵袭、细胞粘附以及细胞内运输等过程,能够在一定程度上维持细胞膜的完整性。研究发现TSP-15不仅在成年线虫表皮中表达，而且能够对针刺、激光、单线氧化学损伤、遗传突变所导致的损伤等多种细胞膜损伤方式发生响应，并在伤口处发生明显聚集。另外更重要的是，如果缺少TSP-15，hyp7的修复会明显发生障碍。这些结果表明TSP-15是线虫表皮细胞膜修复所必需的。研究团队提出了TSP-15修复破损细胞膜的模型：TSP-15向伤口处的聚集受到RAB-5，VPS-32.1和VPS-4的调控，TSP-15的聚集能够进一步招募重要的膜修复蛋白SYX-2富集于细胞膜缺损处帮助细胞膜修复，确保损伤后膜结构的完整性。该研究在活体动物体内再次尝试解析单细胞损伤的内源性调控机制，发现了新的关键蛋白以及膜修复蛋白的可能转运途径，并联系了同已知膜修复蛋白之间的互作关系。为今后通过遗传学筛选参与调控细胞膜损伤修复的关键基因奠定了基础，同时也为研究复杂环境下研究细胞损伤内源性修复和再生机制提供了更多可能。该项研究的共同第一作者之一为浙江大学爱丁堡大学联合学院(ZJE)博士后孟曦男，浙江大学基础医学院博士生王园园、杨庆先为本文共同第一作者。ZJE副院长徐素宏为本文通讯作者。该研究感谢国家重点研发计划、国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金等经费的支持。特别感谢清华大学俞立教授，浙江大学刘伟，孙启明教授对该项研究的帮助。全文链接：https://www.cell.com/developmental-cell/fulltext/S1534-5807(22)00413-0课题组介绍About lab徐素宏实验室的研究方向主要是聚焦细胞和组织的损伤应激，伤口修复及再生的分子动态调控机制，细胞器感知应激损伤的内源性快速动态变化机理等（https://person.zju.edu.cn/suhongxu）。团队希望有更多热爱基础科学研究、对细胞生物学、生物信息学、组学和组织损伤修复和与再生感兴趣的学生、博士后加入。实验室近期招聘博士后2-3名，技术员1-2名。有意者请发送邮件至shxu@zju.edu.cn。

2022-07-06

欧阳宏伟教授课题组开发“活性接骨胶”：让关节软骨块拼接裂隙“一抹了无痕”

自体骨软骨移植镶嵌成形术（马赛克移植术，AOT）是临床治疗骨软骨缺损最常用的外科技术之一，该技术是指将多个小圆柱形自体骨软骨块从较少负重的部位移植到缺损部位。然而，临床上骨软骨移植块间存在裂隙不愈合的问题，尤其是软骨裂隙，可持续不愈合，导致孤立的骨软骨块耐磨性能降低，长期效果差（图1）。因此，进一步改进移植块裂隙的整合是亟需解决的临床问题。最近，粘附性水凝胶已成为组织修复、伤口敷料和止血的有力工具。但是，单纯的水凝胶材料还缺少促进组织再生的活性因子，如成纤维细胞生长因子（FGF）、胰岛素生长因子1（IGF-1）等，无法快速促进组织再生。由此，浙江大学欧阳宏伟团队开发了一种可即取即用的生物活性接骨胶，能让马赛克移植术后的骨软骨块拼接缝隙“一抹了无痕”。此研究于2022年4月在学术期刊Bioactive Materials（IF 14.593）上发表，题为“Seamless and Early Gap Healing of Osteochondral Defects by Autologous Mosaicplasty Combined with Bioactive Supramolecular Nanofiber-Enabled Gelatin Methacryloyl (BSN-GelMA) Hydrogel”。图1 马赛克移植术后软骨裂隙不愈合：马赛克移植术（A），术后MRI检查（B），天狼星红染色（C-D）显示骨软骨块之间存在的裂隙（箭头所示，Laszlo Hangody, JBJS, 2006）这种活性接骨胶含有一种人工合成的类似胰岛素生长因子（IGF-1）功能的活性成分，该成分能模拟IGF-1促进自体骨髓间充质干细胞的迁移和存活，从而防止骨软骨块移植物的坏死和硬化，促进移植软骨块的整合（图2）。研究者将这种可以光固化的水凝胶应用在新西兰兔膝关节骨软骨缺损模型上，结果显示活性接骨胶（BSN-GelMA）样本的ICRS（国际软骨修复学会）评分和微型CT评分均高于单纯水凝胶组和空白对照组（图3，图4）。图2 活性水凝胶促进骨髓间充质干细胞迁移和抑制细胞凋亡图3 活性接骨胶修复兔膝关节骨软骨缺损移植块裂隙示意图（A），大体观察图（B-C），和ICRS（国际软骨修复学会）评分（D）图4 各组6周和12周样本的微型CT分析进一步的组织学分析结果发现，活性接骨胶（BSN-GelMA）在6周的时候就基本实现了移植块裂隙的无缝愈合（图5 Aiii和Ciii）。在12周，活性接骨胶组的移植块缝隙已与邻近正常组织浑然一体，软骨粘多糖含量也与正常软骨无明显差异（图5 Diii和G）。空白组的裂隙则呈现了不可愈合的趋势（图5 Bi 和Di）。Masson三色染色结果则显示了活性接骨胶组的关节呈现了成熟骨小梁结构的下骨层，证实了该接骨胶在促进软骨下骨再生方面的优势（图6）。图5 骨软骨块移植物的组织学分析。A和B：H&E染色。C和D：番红快绿染色。E-H：各组组织学评分，裂隙粘多糖（GAG）含量和骨含量对比图6 各组样本Masson三色分析最后，研究者通过免疫荧光染色证实了在活性接骨胶组里面，无论是移植物还是缝隙处的胶原2（正常软骨胶原类型）的含量均是各组最高（图7）。图7 骨软骨块移植物在移植物表面和缝线处软骨胶原2蛋白的免疫荧光染色和各组表达水平对比图8 本研究概要示意图。传统骨软骨缺损进行马赛克移植术的过程，以及该手术常见的并发症：骨硬化，坏死和纤维化（A-B-C）。生物活性接骨胶粘合骨软骨块缝隙后，可通过促进体内干细胞迁移和增强移植块活性实现移植骨块的早期无缝愈合（D-E-F）综上，本课题组采用一种全合成的生物活性接骨胶，针对临床上困扰已久的马赛克移植术的软骨裂隙整合问题，提出了一个简便有效的解决方案（图8）。因为均是人工合成的生物材料，具有成本低，易保存的优点，所以是一种有望临床转化的策略。本文共同第一作者为浙江大学爱丁堡大学联合学院(ZJE)博士后吴宏伟，天津师范大学商宇娜博士，ZJE硕士研究生孙伟。共同通讯作者为浙江大学欧阳宏伟教授和南开大学杨志谋教授。该研究得到了国家重点研发计划(2016YFB0700804)、国家自然科学基金(NO. T2121004, 31830029)的资助。全文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2452199X22001542

2022-04-07

我院张倩婷课题组在Cells发表综述文章一作为ZJE本科生

近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）张倩婷课题组在Cells杂志发表题为“Ubiquitin-Proteasome System–Regulated Protein Degradation in Spermatogenesis”的综述文章，收录在特刊“Ubiquitin–Proteasome System and Small Protein Modifiers in Gametogenesis and Fertility”中。该文章系统性地探讨了泛素-蛋白酶体系统（UPS）中各组分在调控精子发生过程中的生理功能和分子机制，提示研究UPS相关蛋白对于提高人类辅助生殖技术（ART）和促进胚胎植入前诊断（PGD）具有重要意义。张倩婷研究员为本文的通讯作者，ZJE 2018级本科生生物医学专业熊绎为第一作者。精子发生是雄性动物产生成熟配子的重要途径；原始生殖细胞历经细胞分化，减数分裂和精子变形，总共囊括40多个环节，最终形成快速运动的、具有受精能力的精子。其间，雄性生殖细胞的形态和细胞质成分发生巨变，而这一系列变化都紧密围绕细胞内蛋白质含量和组分的动态变化（图1）。研究表明，精子发生过程中存在广泛的蛋白质降解事件和独特的蛋白稳态调节机制。泛素-蛋白酶体系统通过选择性地泛素化和降解蛋白底物，在精子发生中发挥广泛而精细的调控作用。本文深入讨论了近年来关于睾丸特异的蛋白酶体亚基在精子发生中的作用的最新研究成果；也涵盖了所有已知的E3泛素连接酶和去泛素化酶在精子发生中的作用；提示研究蛋白降解机制对于深刻理解精子发生和阐明男性不育症的遗传因素具有重要意义。文章链接：https://www.mdpi.com/2073-4409/11/6/1058 图1 哺乳动物精子发生过程（图中展示出减数分裂相关蛋白和组蛋白的降解事件；以及蛋白酶体亚基PSMA7和PSMA8的蛋白水平变化。）课题组介绍About lab张倩婷课题组主要利用哺乳动物细胞、基因编辑小鼠模型和人类样本，研究哺乳动物配子发生，以及表皮和毛囊发育中的信号调控和分子机制。具体的研究内容包括调控生殖细胞减数分裂联会和同源重组的分子机制，以及泛素-蛋白酶体系统在调节表皮和毛囊形态发生与再生中的生理功能。课题组网页：https://person.zju.edu.cn/qiantingzhang

2022-03-30

欧阳宏伟教授课题组开发音乐培养皿，让细胞“闻乐起舞”，有效成骨

动听的音乐总会让我们忍不住舞动那么你知道细胞也可以“闻乐起舞”吗拉伸刺激存在于肺、心脏、脑和骨骼等各种组织中，且对细胞命运调控和组织损伤修复都有重要作用。其中，骨组织中的拉伸在临床应用中最受关注。骨组织在生理活动过程中不断受到拉伸刺激；骨组织的结构和功能依赖于适量的拉伸刺激，而缺乏锻炼会导致骨量减少和骨质疏松。在生理条件下，骨组织会受到变频的微拉伸。尽管对于拉伸刺激的影响已被大量研究，但大多都集中在恒频的高幅度拉伸上，这种拉伸与在骨组织的体内情况相去甚远。其次，现有的商业化装置无法有效地产生类似于骨组织体内情况的变频微拉伸。因此，仿生变频微拉伸的生物学效应有着高度研究价值。在此背景下，浙江大学欧阳宏伟教授课题组开发了一款音乐培养皿，首次利用音乐信号到机械信号的转变，实现变频微拉伸对干细胞命运的调控，发现相比于恒定的拉伸刺激，变频微拉伸能有效促进细胞的骨向分化。此研究于2022年1月以“Musical dish” efficiently induces osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells through music derived micro-stretch with variable frequency为题在线发表于生物医学工程转化研究期刊Bioengineering & Translational Medicine（IF 10.711）。图1 本研究概要示意图首先，本研究利用介电弹性体致动器制备了响应快速、光学透明和拉伸可控的音乐培养皿（图2）。该音乐培养皿能够将音乐信号转换为电信号，然后通过柔性介电弹性体膜将电信号进一步转换为机械信号。音乐培养皿具有稳定的拉伸启动性能，且中心区域的拉伸具有同质性和等轴性（图2、图3）。然后，本研究将细胞接种于音乐培养皿的中心区域，细胞增殖正常，且随着施加电压的增大，细胞能够随之移动（图4）。在施加1千伏的电压时，音乐培养皿的拉伸幅度为0.850%，与体内骨组织情况相近。在音乐信号的控制下，拉伸幅度在0.833%-0.867%之间，拉伸频率在0-20000Hz之间（图5）。接着，本研究将细胞置于无拉伸、恒定微拉伸（1千伏电压）和变频微拉伸（1千伏电压加音乐信号）的条件下。结果显示，在三种刺激条件下，尽管细胞形态没有显示任何改变，变频微拉伸组中的细胞形成了更多应力纤维（图5）。最后，转录组测序显示变频微拉伸处理后细胞的成骨分化相关GO显著上调（图6）。实验证明，在变频微拉伸组中，细胞骨相关基因的相对表达量显著增高，而与干性和其他谱系相关基因的表达量降低。除此，在骨诱导分化的培养条件下，变频微拉伸组中的细胞表现出更强的分化能力（图7）。图2-3 音乐培养皿的制备和拉伸性能图4-5音乐培养皿用于细胞培养图6-7音乐培养皿对细胞命运的调控（促进细胞骨向分化）综上，本研究开发了一款 “音乐培养皿”装置，通过将音乐信号转换为机械信号，从而将任意频率的拉伸刺激作用于细胞。相比于恒定的拉伸，与体内骨组织类似的变频微拉伸增强了细胞的骨分化潜能。本研究有望通过三种策略开发潜在的骨再生治疗方法。首先，变频微拉伸由于其在促进成骨分化方面的优异性能，可与临床的牵张成骨手术结合，促进骨愈合。其次，音乐培养皿可以进一步发展为促进骨骼愈合的康复装置。最后，音乐培养皿可以作为细胞扩增生物反应器，产生高效成骨分化的细胞，通过移植促进骨修复。因此，本研究开发的拉伸新模式和新装置都具有巨大的临床应用潜力。该研究第一作者为浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）博士生何秋琳。ZJE博士后林俊鑫，浙江大学博士生周方浩为共同一作。通讯作者为欧阳宏伟教授。姚旭东研究员和李铁风教授为共同通讯。本文得到国家重点研究发展计划(2017YFA0104900)和国家自然科学基金(31830029)的资助。原文链接：https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/btm2.10291

2022-03-03

揭开基因组暗物质在生命起源中的神秘面纱—我院刘琬璐研究员合作研究成果在Nature Communications上发表

近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）刘琬璐研究员和加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）Amander T. Clark教授课题组在Nature Communications（IF=14.919）杂志发表题为Human reproduction is regulated by retrotransposons derived from ancient Hominidae-specific viral infections的合作研究论文。论文通讯作者为ZJE刘琬璐研究员和UCLA Amander T. Clark教授，ZJE 2020级生物信息学博士生相欣雨和UCLA校友陶余博士为本文共同第一作者，ZJE生物医学专业大四本科生张金淳和ZJE生物信息学专业博士生薛子为分别为论文第五和第六作者。该工作通过对基因组暗物质——逆转座子在人早期胚胎生殖系统发育过程中的功能进行探究，揭示了一种人特异性逆转座子LTR5Hs介导的表观遗传调控在人原始生殖细胞发育中不可或缺的作用，为证明人类生殖系统的进化过程与其他物种不同提供了证据。作者同时开发了可以动态查询在人原始生殖细胞体外诱导过程中逆转座子表达模式的可视化网站（网址：https://labw.org/germlineTE/）。文章地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-28105-1生命起源与基因组暗物质精子和卵子承载了生命体代代相传的遗传和表观遗传信息，缔造了每一个生命的起源；而精子和卵子的形成依赖于生殖系统精密且复杂的发育调控过程。听起来很不可思议的是，最原始的生殖细胞在胚胎发育的早期（受精后第11-12天[1]）就已经形成，被称为原始生殖细胞（Primordial Germ Cells，PGCs）；原始生殖细胞的发育失败是不孕不育的重要因素之一。在各种动物模型中，PGCs的发育过程和影响因素已被广泛研究[2]，但由于伦理和技术的限制，调控人原始生殖细胞（human PGCs，hPGCs）发育的精确机制尚不清楚，也是人胚胎发育过程中的经典“黑箱问题”之一。转座子（Transposable Elements，TEs）又有“基因组暗物质”的别称，同宇宙中的暗物质一样，它们占比很高（约占人类基因组的50%），而与此相对地，编码蛋白质的 DNA 序列只占人基因组的不到1%。但是，作为基因组中最神秘且富有魅力的元件，我们目前对其功能仅略知一二。人类基因组中的绝大多数TEs是逆转录转座子，通过RNA作为中间载体在基因组中进行跳跃（即转座），它产生的基因组变异是很重要的物种进化推力[3]。尽管大多数逆转座子经过漫长的演变，已经失去了转座能力，但其仍可以作为启动子、增强子或其他调控元件参与各种重要生物学过程[4]。为了维持基因组的完整性，转座子通常被 DNA 甲基化等抑制性表观遗传机制所沉默[4]。在原始生殖细胞形成过程中，本被抑制的逆转座子被激活且高度动态表达。因此，研究人类原始生殖细胞的发育分化过程中逆转座子的调控机制对于深入理解人类胚胎发育以及胚胎停育、不孕不育等疾病具有重要意义。为了探究逆转座子在原始生殖细胞发育过程中扮演的角色，作者首先通过人原始生殖细胞体外诱导过程中的RNA-seq和scRNA-seq两个视角，探究了逆转座子的动态表达模式。结果表明，LTR5Hs，一种人特异性逆转座子，在人原始生殖细胞类细胞（hPGC-Like Cells，hPGCLCs）诱导过程中广泛且高度地被上调，暗示它可能发挥重要的作用。通过表观遗传系统解码逆转座子功能表观基因组学是揭秘基因组调控元件身份的“金钥匙”。为了探究hPGCLCs诱导过程中的表观遗传模式，鉴定逆转座子可能发挥的功能，作者深度解析了逆转座子所在区域的染色质可及性、DNA甲基化和组蛋白修饰模式。多组学分析显示，LTR5Hs在此过程中被开放且拥有特异的去甲基化模式，并广泛富集H3K27ac组蛋白修饰。由此，作者推测LTR5Hs活跃的表观遗传模式可能介导了人类特有的PGC发育过程。 LTR5Hs被激活的表观遗传模式预示了其作为增强子（TE Embedded eNhancers ，TEENhancer）的功能。为了进一步确认此推测，作者对LTR5Hs的转录因子结合情况进行了探究。ChIP-seq数据显示，LTR5Hs元件可以作为潜在的增强子位点，结合hPGC发育过程中重要的转录因子如NANOG，TFAP2C，SOX17和SOX15，从而调控下游基因的表达。最后，作者对LTR5Hs在hPGCLCs诱导过程中的功能进行了验证。通过CRISPR-dCas9抑制LTR5Hs的活性，能够显著降低hPGCLCs的诱导效率，且差异表达基因关于LTR5Hs元件位点呈很明显的增强子模式，进一步说明了LTR5Hs在人原始生殖细胞发育过程中不可或缺的地位。人类进化升级包——LTR5Hs 综上，作者通过系统解析人原始生殖细胞体外诱导过程中的表达模式、转录因子结合情况与表观遗传多组学，并通过功能验证，首次发现了一种人特异性逆转座子LTR5Hs作为增强子，在人早期生殖系统正常发育过程中的重要作用。考虑到逆转座子对基因库更新的贡献，一种可能的解释是，在物种进化过程中，LTR5Hs，这种在其他物种中没有出现的逆转座子，对生殖细胞的发育是有利的，从而提高了人类的生殖适应性，形成了人类特有的生殖系统发育调节模式。 UCLA博士生Jonathan DiRusso、Fei-Man Hsu博士，EPFL Julien Pontis博士、Didier Trono教授也参与了此项研究。论文课题得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、阿里巴巴-浙江大学未来数字医疗联合研究中心等赞助。【参考文献】[1] Chen, D. et al. Human primordial germ cells are specified from lineage-primed progenitors. Cell Rep. 29, 4568–4582.e5 (2019).[2] Hancock, G. V., Wamaitha, S. E., Peretz, L. & Clark, A. T. Mammalian primordial germ cell specification. Development 148, dev189217 (2021).[3] Friedli, M. & Trono, D. The Developmental Control of Transposable Elements and the Evolution of Higher Species. Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 31, 429–451 (2015).[4] Chuong, E. B., Elde, N. C. & Feschotte, C. Regulatory activities of transposable elements: from conflicts to benefits. Nat. Rev. Genet. 18, 71–86 (2017).课题组介绍About lab刘琬璐课题组的主要研究方向为表观遗传学、基因组学、生物信息学、干细胞及再生医学，目前正致力于研究转座子的表观调控机制及其在细胞命运决定过程中的作用，实验室也侧重于多组学数据集单细胞数据的生物信息算法、数据库、网页工具等开发。邮箱：wanluliu@intl.zju.edu.cn实验室网址：https://labw.org

2022-01-25

我院欧阳宏伟团队解码“阿喀琉斯之踵”脆弱之谜

古希腊神话传说中，阿喀琉斯（Achilles）是凡人英雄珀琉斯和海洋女神忒提斯之子。忒提斯为了让儿子炼就刀枪不入之躯，在他刚出生时就将其倒提着浸入冥河。然而，阿喀琉斯被母亲捏住的脚后跟却不慎露在冥河水外，留下了全身唯一一处“死穴”。在特洛伊战争中，阿喀琉斯被帕里斯一箭射中脚踝而死去。后人常以“阿喀琉斯之踵”譬喻即使是再强大的英雄，也有致命的软肋。在人体中，也存在着这样的软肋——跟腱（别名阿喀琉斯腱，Achilles tendon）。正如其名，跟腱是全身最强大也是最脆弱的肌腱之一。在运动过程中，跟腱最大需承受接近体重8倍的负荷，因此极易受到损伤。而且，由于肌腱结构特殊，损伤后未及时就诊会逐渐发展成为慢性肌腱病，主要表现为疼痛、肿胀以及活动障碍。而肌腱异位骨化是慢性肌腱病的一种特殊类型，即在本不该出现骨头的地方（肌腱）“长出”了骨头，进一步破坏肌腱组织本身的形态构造，加剧症状，损害功能。著名运动员刘翔、科比等都因跟腱损伤无法得到根治而提前结束运动生涯。图1 跟腱—人体强大又脆弱的阿喀琉斯之踵（图片源自网络）针对人体“阿喀琉斯之踵”这一痛点，浙江大学欧阳宏伟团队近日利用单细胞测序技术在动物模型上揭示了局部微环境改变引起肌腱干祖细胞亚群基因表达变化和细胞分化命运改变，从而导致肌腱异位骨化，并证明该过程可以通过小分子抑制剂BIBF1120阻断，为肌腱异位骨化的治疗提供了新的策略。该研究首先通过检测临床样本发现肌腱特异转录因子MKX在异位骨化中显著下降。而敲除Mkx可以导致小鼠肌腱自发形成异位骨化，提示MKX表达降低能促进肌腱异位骨化的形成。图2 Mkx表达降低/敲除导致肌腱异位骨化进一步研究发现Mkx敲除的小鼠肌腱细胞会高表达成血管相关基因，从而导致血管入侵、肌腱细胞外基质微环境重塑，引起成骨、成软骨分化相关基因在肌腱干祖细胞中异常激活，从而形成异位骨化。图3 单细胞测序揭示肌腱干祖细胞亚群最后，作者通过局部注射小分子抑制剂BIBF1120，显著抑制损伤后肌腱新生血管形成，改善肌腱损伤微环境，显著缓解肌腱异位骨化进程。图4 小分子抑制剂BIBF1120显著改善肌腱损伤微环境，抑制肌腱异位骨化以上工作以“Single cell analysis reveals inhibition of angiogenesis attenuates progression of heterotopic ossification in Mkx-/- mice”为题，发表于Bone Research杂志。论文第一作者为浙江大学爱丁堡大学联合学院博士后林俊鑫，浙江大学爱丁堡大学联合学院本科生戴超为本研究共同作者，通讯作者为欧阳宏伟教授和刘琬璐研究员。该研究得到了国家重点研发计划（2017YFA0104900）、国家自然科学基金（31830029、81501937、81522029）和中央高校基本科研专项资金（K20200099）的资助。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41413-021-00175-9课题组介绍About lab欧阳宏伟教授课题组长期从事干细胞与骨、软骨、肌腱组织的再生研究，突破了骨软骨组织自愈能力低下的难题，发明了“骨软骨原位修复与再生技术”，建立和实践了组织工程要素的三条临床转化途径，即自体细胞/因子浓集治疗技术、支架材料器械产品和细胞材料复合移植技术。课题组网页：http://person.zju.edu.cn/en/ouyanghongwei；招聘主观能动性强的博后刘琬璐课题组的主要研究方向为表观遗传学、基因组学、生物信息学、干细胞及再生医学，目前正致力于研究转座子的表观调控机制及其在细胞命运决定过程中的作用，实验室也侧重于多组学数据集单细胞数据的生物信息算法、数据库、网页工具等开发。邮箱：wanluliu@intl.zju.edu.cn；实验室网址：https://labw.org林俊鑫博士毕业于浙江大学干细胞和再生医学专业，2020年7月加入ZJE从事博士后研究，导师为刘琬璐教授。博士后研究方向为间充质干细胞分化过程的表观遗传机制研究。

2022-01-08

我院欧阳宏伟教授课题组研发仿生“关节油漆”，快捷翻新破损关节面

近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）欧阳宏伟教授课题组在ACS Applied Materials & Interfaces杂志上发表“Biomimetic Joint Paint for Efficient Cartilage Repair by Simultaneously Regulating Cartilage Degeneration and Regeneration in Pigs”（DOI: 10.1021/acsami.1c17629）。骨关节炎（Osteoarthritis，OA）是一种高发的、高致残率的关节疾病，这种疾病的发病率随着年龄的增大逐渐增加，而我国正面临着人口老龄化社会的进程，以此趋势骨关节炎将严重影响我国人民的生活质量，加重人民和社会的负担。“探索老年骨关节炎的发病机理与早期干预手段是21世纪医学界亟待解决的课题之一”——香山科学会议第701次学术讨论会。骨关节炎的形成机制复杂，其中关节表面的软骨缺损是一个重要原因。因此，修复受损的关节软骨是治疗骨关节炎的重要途径。软骨是一个特殊的组织，没有血管和淋巴，缺损之后自我修复的能力很差。修复大面积、不规则的非全层软骨缺损是目前临床治疗上的挑战。图1 受到老旧汽车喷漆翻新策略的启发，设计了关节软骨可用的新型生物材料，以“关节油漆”为名，快捷翻新破损关节面，为伤痕累累的软骨带来新生水凝胶材料由于具有与生物组织相似的物理化学性质，被广泛应用于组织工程和再生医学。最近，粘附性水凝胶已成为组织修复、伤口敷料和止血的有力工具，在生物组织、聚合物和金属表面起到保护层的作用。受到老旧汽车喷漆翻新策略的启发，欧阳宏伟教授团队设计了一种具有组织黏附力的、抗压的、细胞亲和力强的、而且便于操作的粘附性水凝胶材料体系，用来治疗骨关节炎中的非全层软骨缺损。一般油漆涂料由成膜物和溶剂组成，加以颜料和一些助剂。成膜物随着溶剂流动至特定部位，随着溶剂的挥发，成膜物发生聚集或聚合反应，即在物体表面形成了涂层。传统油漆使用的溶剂多为有机溶剂，成膜物不具有生物相容性，因此不适合生物医学的应用。尽管如此，课题组可以借鉴其原理，利用生物相容性良好的仿生软骨组分来构建可用于关节软骨的“油漆”。（图2）。图2 （a）关节油漆使用以及化学机理示意图在新西兰大白兔动物模型的研究中，课题组发现，当软骨表面受损后，若未经任何治疗，软骨基质会发生进一步的退变和降解，而使用“关节油漆”处理后则可以保持软骨的健康，促进损伤软骨的再生。深入研究后发现，当软骨表面受损后，软骨细胞的凋亡和软骨基质的降解都会越发严重，这可能是软骨表面缺失后关节腔内的炎症因子更容易侵入软骨基质，造成软骨降解和关节炎症的恶性循环。而 “关节油漆”保护了缺损的软骨表面，物理阻隔了炎症因子与软骨基质，切断了病理进程。最后，课题组在大动物模型中进一步验证了关节油漆的体内修复功能，证明了关节油漆在体内软骨修复中的应用潜力（图3）。图3 （a）在体外使用“关节油漆”填充猪软骨表面示意图；（b）体内修复大体图；（c）SO和H&E组织学染色本文共同第一作者为ZJE博士后魏威博士、ZJE博士生马远瞩、浙江大学基础医学院博士后张显著、ZJE博士后周雯艳，通讯作者为欧阳宏伟教授。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。课题组介绍About lab欧阳宏伟教授课题组长期从事干细胞与骨、软骨、肌腱组织的再生研究，突破了骨软骨组织自愈能力低下的难题，发明了“骨软骨原位修复与再生技术”，建立和实践了组织工程要素的三条临床转化途径，即自体细胞/因子浓集治疗技术、支架材料器械产品和细胞材料复合移植技术。课题组网页：http://person.zju.edu.cn/en/ouyanghongwei；招聘主观能动性强的博后魏威博士，2018年3月-2020年12月于ZJE从事博士后研究，主要研究方向为生物材料和软骨修复。出站去向：浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员。个人主页：person.zju.edu.cn/wwei

2021-12-01

我院刘琬璐研究员和鲁林荣教授课题组合作开发的人类抗原受体数据库huARdb在Nucleic Acids Research上发表

近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）刘琬璐研究员和鲁林荣教授课题组在Nucleic Acids Research杂志发表题为huARdb: human Antigen Receptor database for interactive clonotype-transcriptome analysis at the single-cell level的合作研究论文。ZJE 2021届生物医学专业吴利则(现浙江大学医学院博士研究生)及薛子为（现ZJE博士研究生）为本文共同第一作者, 论文通讯作者为ZJE刘琬璐研究员和鲁林荣教授。该研究通过收集公开的单细胞免疫组库（single-cell immune profiling）数据，建立了首个基于单细胞免疫组测序的人类T细胞受体（TCR）和B细胞受体（BCR）数据库，开发了包含多种转录组及免疫受体数据分析工具的交互可视化网页工具，使生物学家能够联合分析免疫组库数据中克隆型-转录组特征，以及联合分析单细胞水平上的基因表达特征和TCR/BCR特征。文章地址：https://academic.oup.com/nar/advance-article/doi/10.1093/nar/gkab857/6381136huARdb数据库网址：https://huarc.net/database适应性免疫由T细胞和B细胞介导，负责特异性抗原的识别与清除并形成长效免疫记忆1, 2。T细胞或B细胞均依赖其细胞表面表达的抗原受体，即T细胞受体（TCR）或B细胞受体（BCR）对抗原进行特异性识别3。在T细胞和B细胞成熟过程中，随机的V(D)J基因重组产生每个细胞独一无二的TCR/BCR，在人体内形成具有高度多样性的TCRs/BCRs库4，以应对环境中丰富多样的病原生物。单细胞免疫组库分析联合单细胞转录组分析使正常和病理条件下单个TCR/BCR克隆型和功能的高通量研究得以实现。过去时间里产生的大量公开的单细胞免疫组库数据需要深入分析，以揭示更多免疫学机制。然而，目前尚没有方法可以对已发表的单细胞免疫组库数据进行再利用和无偏的整合分析。huARdb数据库收集了215份单细胞免疫组库数据。这些数据来自于493个不同的测序文库， 24种不同组织和12种不同疾病模型。作者通过使用统一的数据处理流程对每个单细胞免疫组库数据处理，得到每个数据集的单细胞水平TCR/BCR和转录组特征。作者同时开发了网页以展示数据库各数据集的转录组相关特征和TCR/BCR相关特征。用户可以在主页上观看操作演示视频，通过疾病、组织类型、细胞类型索引、分析感兴趣的样本。对于单个免疫组库数据集，用户可以查看样本数据的各项转录组特征，例如各亚型细胞在tSNE图上的分布。当用户对某一细胞亚型感兴趣时，可以在网页菜单中选择相应细胞亚型名称，高亮特定亚型的细胞分布。该研究首次开发了克隆型-转录组联合可视化分析方法。可以通过细胞TCR/BCR特征定义细胞克隆型。用户不仅可以查看各克隆型的细胞频率，也可以分析数据集内高度扩增克隆细胞的转录组特征，如可以看到和分析每个克隆型内细胞亚型的分布信息，以及在单细胞水平上查看高度扩增克隆型细胞的TCR/BCR信息和转录组信息（图1）。通过人类抗原受体数据库和交互可视化网页分析工具，不同免疫环境下的TCR/BCR所发挥的功能将被进一步揭示。图1：huARdb数据库信息整合分析示意图ZJE助理研究员金雪潇博士、博士后白亚丹、博士研究生郭奕鑫、科研助理金颸倩和生物医学本科生张金淳等也参与了此项研究。该工作还得到了ZJE James Q. Wang研究员、王超尘研究员、浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院刘佐珠研究员、浙江大学医学院汪洌教授的支持。论文课题得到了国家自然科学基金、浙大云、阿里云、阿里巴巴-浙江大学未来数字医疗联合研究中心的资助。参考文献1. Lee,S.W. and Whelan,R.L. (2006) Immunologic and oncologic implications of laparoscopic surgery: what is the latest? Clin. Colon Rectal. Surg., 19, 5–12.2. Natoli,G. and Ostuni,R. (2019) Adaptation and memory in immune responses. Nat. Immunol., 20, 783–792.3. Dong,D., Zheng,L., Lin,J., Zhang,B., Zhu,Y., Li,N., Xie,S., Wang,Y., Gao,N. and Huang,Z. (2019) Structural basis of assembly of the human T cell receptor-CD3 complex. Nature, 573, 546–552.4. Qi,Q., Liu,Y., Cheng,Y., Glanville,J., Zhang,D., Lee,J.Y., Olshen,R.A., Weyand,C.M., Boyd,S.D. and Goronzy,J.J. (2014) Diversity and clonal selection in the human T-cell repertoire. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A., 111, 13139–13144.课题组介绍About lab刘琬璐课题组的主要研究方向为表观遗传学、基因组学、生物信息学、干细胞及再生医学，目前正致力于研究转座子的表观调控机制及其在细胞命运决定过程中的作用，实验室也侧重于多组学数据集单细胞数据的生物信息算法、数据库、网页工具等开发。邮箱：wanluliu@intl.zju.edu.cn；实验室网址：https://labw.org鲁林荣课题组的主要研究方向是用分子生物学、细胞生物学、实验动物模型和生物信息等研究手段揭示免疫调节的机制。尤其对胸腺T细胞发育、CD8+ T细胞亚群和具有免疫调节功能新分子的研究感兴趣，同时对自身免疫性疾病和肿瘤的免疫治疗的策略进行研究。邮箱：lu_linrong@zju.edu.cn；实验室网址：https://person.zju.edu.cn/llr

2021-10-08

我院博后姚旭东博士：给细胞做“线粒体移植术”，高通量构建超能干细胞

近日，浙江大学爱丁堡大学联合学院（ZJE）欧阳宏伟教授课题组博后姚旭东博士受“线粒体从间充质干细胞转移到邻近应激细胞现象”的启发，首次采用外源线粒体胞内规模化移植手段，实现了脂肪源间充质干细 (ADSCs) 的能量代谢提升、三系分化能力增强与体内存活率改善，从而构建了一种超能干细胞-“mito-ADSCs” (图1)。此研究以In-cytoplasm mitochondrial transplantation for mesenchymal stem cells engineering and tissue regeneration为题，于2021年8月在线发表于转化期刊Bioengineering & Translational Medicine (IF 10.711)。间充质干细胞被称为“第一代干细胞治疗产品”，具有抗炎、免疫调节、促血管生成、抗凋亡等作用。由于易于提取和体外扩增，目前已有950 多项间充质干细胞临床试验正在全球开展。然而，间充质干细胞应用仍受限于两点：第一，在复杂的病理生理环境中，间充质干细胞移植后的存活性差；第二，当全身系统性给药时，间充质干细胞移植效果不明显。因此，需要创新方法来赋予间充质干细胞新的特性和功能。原文链接https://doi.org/10.1002/btm2.10250。图1、胞内线粒体异体移植构建“超能间充质干细胞”用于组织修复的示意图首先，本研究利用了高内涵细胞成像分析手段，根据外源性线粒体和细胞自身线粒体荧光染色的实时定量监测，采用药代动力学方法明确了外源线粒体进入ADSCs胞质的有效剂量。同时也发现，这些外源性线粒体主要分布在ADSCs胞质外围靠近细胞膜的区域内 (图2A-F)。通过海马细胞能量代谢仪对受线粒体移植的ADSCs进行呼吸作用评估，发现mito-ADSCs更依赖于有氧糖酵解，并且提升约17% ATP产量 (图2G-I)。随后，通过体外增殖、细胞迁移、β-半乳糖苷酶、单克隆形成及三系诱导分化能力（成骨、成脂与成软骨）对mito-ADSCs进行了全方位评估，进一步证实了外源性线粒体胞内移植可提升间充质干细胞表型的可行性和有效性 (图3)。最后，该研究以全层皮肤缺损大鼠模型，验证了mito-ADSCs细胞的功能与治疗效果。实验表明，mito-ADSCs作为特洛伊木马，可保存外源性线粒体活性，同时又将这些外源线粒体递送至邻近细胞 (图4A-D)。与普通ADSCs相比，mito-ADSCs仅需两周就实现了伤口的完美愈合和皮肤再生能力，组织学切片染色显示了其具有更好的促生长作用 (图4E-H)。综上，此项研究证明了使用外源性线粒体移植可作为改善医用干细胞表型和代谢活性的潜在手段，为细胞治疗、精准医学、干细胞临床应用等领域提供新方法。该研究第一作者为ZJE博士后姚旭东，ZJE2018级博士生马远瞩和ZJE博士后周雯艳为共同一作，通讯作者为欧阳宏伟教授。本文得到国家重点研究发展计划(2017YFA0104900)的支持，国家自然科学基金(31830029, 81630065 和81902187)的资助，浙江省自然科学基金(LY19C070003和LQ19E030019)的资助，和中国博士后科学基金((2018M642442)的资助。图2和3 高通量和能量代谢评估外源线粒体移植功效性；mito-ADSCs体外耐受性的评估图4 mito-ADSCs促进皮肤再生和加速伤口愈合课题组介绍About lab欧阳宏伟教授课题组长期从事干细胞与骨、软骨、肌腱组织的再生研究，突破了骨软骨组织自愈能力低下的难题，发明了“骨软骨原位修复与再生技术”，建立和实践了组织工程要素的三条临床转化途径，即自体细胞/因子浓集治疗技术、支架材料器械产品和细胞材料复合移植技术。课题组网页：http://person.zju.edu.cn/en/ouyanghongwei；招聘主观能动性强的博后姚旭东博士，2018年1月-2020年12月于ZJE从事博士后研究，主要研究方向为干细胞及其衍生物在组织再生医学中的研究与应用。出站去向：浙江大学医学院附属第四医院特聘研究员。个人主页：person.zju.edu.cn/0617555

2021-09-29

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